地源热泵系统地埋管施工工艺

彭 震

胜利石油管理局有限公司新能源开发中心 山东东营 257000

1 地埋管地源热泵系统概述

地埋管地源热泵系统具有土壤温度稳定、受环境影响小、不占用地上面积等优点,相对于地表水地源热泵系统和地下水地源热泵系统,维护和运行较为简单,应用越来越广泛。在地埋管地源热泵系统建设过程中,地埋管的施工是关键。地埋管施工时,若脱离规范流程的指导,则极易出现问题,将会直接影响地源热泵系统的工程质量,给投资方造成损失。笔者对地源热泵系统地埋管的施工工艺及注意事项进行介绍。

2 工程概况

胜利石油管理局有限公司新能源开发中心孤东采油厂银洲宾馆地源热泵系统改造项目,共布局能源井105口,利用现有机房,新建热泵机组一台、循环泵四台,配套自控、暖通等相关设施。这一项目的地埋管换热器采用垂直钻孔埋管方式,垂直埋管井群布置于室外绿化带或道路下,单井地埋管换热器长度为130 m,钻井深度为132.7 m,按间距4.0 m均匀排布。水平连管均采用埋地铺设方式。

3 地埋管施工工艺

地埋管换热器采用特定材料管道,经过加工和制作,埋设于一定深度的浅层岩土层中,与岩土层实现耦合换热,抽取浅层地热能作为热泵低位热源。地埋管换热器分为垂直埋管和水平埋管,分别如图1、图2所示。地埋管施工是地源热泵系统施工的重点和难点,主要包括钻孔、下管、试压、回填、室外管件连接五个步骤。

图2 水平埋管

银洲宾馆地源热泵系统地埋管的施工工艺流程为施工准备,场地开挖、场地平整,管孔定位及编号,机械钻孔,垂直管连接,填料试块配比,下管,垂直埋管第二次试压,垂直埋管灌浆,垂直埋管成品保护,水平沟槽开挖,沟槽铺设砂垫层及支架,水平埋管敷设及与垂直埋管电熔连接,水平埋管与垂直埋管试验,水平沟槽回填及夯实,各环路集管与分集水器连接及试验,地埋管试验及运行。

4 垂直井群施工

4.1 前期工作

在垂直井群施工前,要根据工程勘探资料选择合适的钻孔施工设备。对地面进行清理,铲除杂物,平整场地,以便为钻机和聚乙烯管的堆放和钻孔施工场所预留出足够的空间。如有地下桩基和市政等建筑设施,需要和甲方协商避让,以免发生冲突。并且提前和甲方进行水、电连接事宜的协商。

4.2 钻孔施工

按照施工图对需要施工的区域进行井孔定位。如果遇到设计图预留空间不足的情况,需要根据实际情况做适当调整,进行合理整体偏移或个别井孔移位。一般实际工程中,首先确定若干个井孔,然后在这几个井位基础上推定其它垂直井群。

在确定钻孔排孔之间挖泥浆池,位置为埋地管挖沟方向两孔之间,用作钻机在施工中的水循环载体,不至于流到其它地方,保证施工场地的整洁。钻孔前应根据施工图轴线对现场布置线确定钻孔位置,确保钻孔点误差小于50 mm,并对钻孔场地进行平整。开钻前,必须从头到尾检查一遍设备的完好情况,检查内容包括确定转向无误,重新校核塔架底盘、竖杆的水平度和垂直度。经确认无任何异常后,方可开钻。

在钻孔过程中,根据地下地质情况、地下管线敷设情况,适当调整钻孔的深度、数量及位置,以满足设计要求,降低钻孔、下管及封井的难度。

钻孔过程中,安排专业质量检查员随时检查钻孔位置,确保管孔位置的正确性和钻孔的垂直度,避免返工,并作好检查记录工作。如发现偏差超出标准要求,应及时纠正,重新进行定位或调整钻机垂直偏差。钻孔过程中产生的泥浆应集中堆放或组织排放,在钻孔完成后及时处理干净。在钻孔过程中,为避免管孔塌方,应灌入泥浆对打孔孔壁进行泥浆凝固护壁。如在打孔即将完成时发生塌方,造成打孔深度不足,应灌入浓度较高的泥浆再进行钻孔。

钻孔完毕后,应尽快将地埋管放入管孔内。水压试验合格后,垂直埋管低于地面500 mm,将管口封死,并做标记,避免地埋管堵塞。

4.3 垂直管下管

经验表明,垂直埋管易发的问题主要有两类。第一类,施钻完毕钻孔内有大量积水,使下管困难,并且容易损坏聚乙烯管。其二,由于钻孔中的泥沙沉积,设计钻孔深度和实际深度不一致,影响U形管的安装。

在下管之前,要对地埋管换热器进行第一次试压。试验压力取为1.5倍工作压力,一般取下限值0.6 MPa。稳压至少15 min,并且相对压降不应大于3%,无泄漏。密封后,在注水的情况下下管。注水下管可以增大自重,抵消钻孔内泥浆的浮力。

在聚乙烯管埋管垂直下管时,采取人工配合机械下管的方法,利用回转钻机钻杆顶进,克服水的浮力,并加快下管的速度。当一个孔钻好且孔壁固化后,应立即下管,否则有可能出现管孔局部堵塞,孔底泥浆沉淀,导致下管困难。下管前,要将U形管的两个支管固定分开,以免下管过程中靠在一起,形成热短路。一般情况下,用塑料管卡将支管分开,管卡沿管长方向的间距可取2～4 m。下管速度要均匀,防止下管过程中损坏聚乙烯管。如果遇有障碍和不顺畅现象,暂时停止下管,及时查明原因。查明原因并做好处理后,才能继续下管。下管时必须有保证聚乙烯管不扭曲、变形的措施。垂直U形管下到位后,应提起下管钻杆。提杆过程中应防止U形管上浮,如发现上浮,则立即采取措施使其固定,确保下管到位。垂直U形管安装完毕后,应进行第二次试压,保压1 h,确保下管过程中无损伤,合格后灌浆回填封孔。

4.4 灌浆和回填

在垂直管下管完毕后,立即用回填材料回填封孔,以便隔离分水层。回填材料以比孔外岩土导热率大为宜。在实际工程中,可以应用原浆进行回灌,通过挖掘排浆小水槽将钻孔排出的泥浆回灌到已完成的前一口井孔内。12 h静置后,若未回灌满,则进行一次人工补浆,确保回灌密实无空腔。若原浆不能达到回灌材料条件,则需要用细沙或水泥及沙土进行回填。

5 地埋管道连接

在实际工程中,聚乙烯管的连接一般采用热熔和电熔方法,不采用机械方法。接头和连接件都是聚乙烯塑料材质,不存在腐蚀问题。连接后的环路管段大部分埋在土壤下,不易检修,因此需要施工人员掌握熟练技术,培训后上岗,保证连接质量,否则会出现严重漏水现象。

连接前,必须将聚乙烯管擦拭干净,避免表面有杂物,引起假焊。聚乙烯管电熔时,熔热部位的熔温约为210 ℃,熔接时间为50 s。熔接完成后3 min内,因熔热部位的余热仍然较高,只要用力仍能将熔热管件拔出。被熔热的管道自身也存在应力,如垂直管与水平管固定连接后因各自方向不同而产生的应力,若熔热管件与管道不进行固定,则熔热管件与管道之间的连接就会因应力而产生变形、位移,导致熔接失败,或出现质量隐患。

熔热温度和时间必须合理掌握。若熔热时间不足,容易造成插入深度不足。若熔热时间过长,容易造成管道插入过度变形,使管道内径缩小,影响管道流量。严格保证冷却时间,避免管道未成形前管道连接处变形,影响管道连接质量。

熔接场地应尽量保持无水状态,施工电源绝缘良好,并应有防触电装置和措施。沟槽内熔接时,施工人员应穿绝缘鞋,戴绝缘手套。

6 水平管施工

水平管施工主要包括水平管沟挖掘、水平管连接、试压、回填保护等几个阶段,如图3所示。

图3 水平管施工流程

6.1 水平管沟挖掘

在一般工程中,完成一个分区的井孔施工后,要根据施工图在施工现场确定水平管位置线,然后采用小挖掘机或人工进行水平管沟挖掘。一般情况下,要在挖掘的同时用水准仪测出施工管沟地面标高,使其达到规定深度。一般地埋管换热器的水平管位于市政管道之下,深度必须满足管道承压和防冻的要求。在实际工程中,可以取1.5～2 m。挖掘后进行人工平整,夯实,并且留有一定坡度,使排气顺畅,一般取0.3%～0.5%。坡度应坡向地埋管换热器的分集水器,严谨倒坡。

地埋管换热器常年处在地下土壤中,地基可能会产生不均匀沉降现象,水平埋管会受到影响。为防止不均匀沉降现象发生后对水平埋管造成破坏和损伤,室外直埋水平埋管敷设前在沟槽内铺设厚度为200～300 mm的砂垫层,水平埋管的管顶采用不小于300 mm的砂覆盖层,上部采取土壤回填夯实。这样做,砂垫层可以起到软基层的作用,抵抗和减小地上建筑物因发生垂直或不均匀沉降给水平埋管带来的破坏作用。

6.2 水平管连接

水平管连接时,按照设计图采用的连接方式进行施工。为了防止热短路,水平管道的供回路宜分层铺设,上下两层之间需要由100～200 mm的细沙回填层隔开。水平管道连接时,留有一定的膨胀和收缩空间,以免管道因热胀冷缩而缩短使用寿命。在水平管接至分集水器时,由于分集水器采用钢管,因此需要在连接处留出一定长度的聚乙烯管,以便连接。水平管道连接完毕后,在回填前应进行压力试验。在试压压力下保压时间不短于30 min,试压压力可取下限值0.6 MPa。压力稳定后,相对压降应小于3%,且无泄漏发生,判为合格。

6.3 沟槽回填

设计的供回水平地埋管通常会穿过地基基础或基础墙,至建筑物机房地面。管道穿墙一般设计采用安装套管密封。为保护管道靠近墙的供回管线支架免受因空洞而造成的土壤沉降差影响,在墙体的外表面采用冷作用沥青材料填缝,实现密封防水。这项工作必须在回填之前完成,可以避免管道在穿越建筑物时因土壤沉降带来的危害。

水平地埋管施工全部完毕并经检验合格,确认地埋管无渗漏后,方可回填沟槽。回填时应先填实管底,再同时回填管道两侧,然后再回填至管顶0.5 m处。沟内有积水时,应及时排尽后再回填。回填时应将回填材料推入沟,先使用人工夯实,确保没有石块落入,再用斜刮板来回刮刷,使回填材料尽可能均匀,防止出现较大空隙,最后用滚轮碾压平实。

回填压实应逐层进行,不得损伤管道。回填土的含水量宜按土类和采用的压实工具尽量控制为最佳含水量。水平地埋管通过隐秘工程验收,管道两侧和管顶以上500 mm范围内,采用轻压夯实,管道两侧压实面的高差不超过300 mm。当人工回填到管顶以上0.5 m后,方可采用机械回填,机械不得在管道上方行驶。机械回填时,应在地埋管道内充满水的情况下进行。沟槽内水平地埋管回填料应细小、松散、均匀,不允许含石块及土块。回填压实过程应均匀,回填料应与管道接触紧密,并且不得损伤管道。

7 结束语

对于银洲宾馆地源热泵系统改造项目地埋管施工,根据现场情况制订施工流程,突出施工操作要点,明确注意事项。在施工的每一个环节,严格按照相关规定执行,施工人员不可有侥幸心理,否则反复施工,造成检修困难,影响工程进度,还会给整个系统埋下隐患。

目前,地源热泵供热是新能源利用的主要方式,越来越多的用户选择地源制冷供暖,科学的施工工艺可以大大延长地源热泵的使用寿命,有利于地源热泵的推广和发展。